1发光材料的基础知识课件.pptx

n1.1 发光基础发光基础 概念概念1.2 发光材料的主要特性与规律发光材料的主要特性与规律1.3 能量的传递和输运能量的传递和输运1.4 光与颜色光与颜色第第1章章 发光材料的基础知识发光材料的基础知识1.1 发光基础概念发光基础概念1.1.1 光与电磁波辐射光与电磁波辐射 光的本质：电磁波光的本质：电磁波图图1-1 电磁波频谱电磁波频谱E = h = hc/ E (eV) = = 1.24 10-4 w (cm-1) w (cm-1) = = 8064.5E (eV) 表表 1 -1各种可见光色对应的真空中的光波波长（各种可见光色对应的真空中的光波波长（nm）光色光色紫光紫光蓝光蓝光天蓝天蓝绿光绿光黄绿黄绿黄光黄光橙光橙光红光红光波长波长380-420420-490490-500500-550550-570570-590590-620620-760光光紫外辐射（紫外辐射（ultraviolet）10nm-380 nm红外辐射红外辐射 (infrared) 780 nm-1 mm可见可见 (visible) 380nm-780 nm发光的定义发光的定义：发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离原发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离原来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以光的形式发射出多余的能量，来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间持续时间。

发光是一种非平衡辐发光是一种非平衡辐射发发 光光 =明明 亮亮(?)白炽灯白炽灯-钨丝通电加热到钨丝通电加热到2000 左右产生左右产生-热辐射热辐射热辐射热辐射:是一种普遍现象，与物体受热后有较高的温度有关，是固体晶是一种普遍现象，与物体受热后有较高的温度有关，是固体晶格在高温下剧烈振动产生的格在高温下剧烈振动产生的 ，是一种热平衡状态的辐射是一种热平衡状态的辐射注意：注意：1 发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的 2 发光过程仅伴有极少量的热辐射发光过程仅伴有极少量的热辐射3非平衡热辐射还有发射和散射等非平衡热辐射还有发射和散射等荧光和磷光荧光和磷光:一般将激发停止后仍然发出的光称作磷光，如长余辉发一般将激发停止后仍然发出的光称作磷光，如长余辉发光材料所发的光是典型的磷光曾将激发停止后持续时间大于光材料所发的光是典型的磷光曾将激发停止后持续时间大于10-8秒秒的发光叫做磷光，现在对荧光和磷光不做严格的区别的发光叫做磷光，现在对荧光和磷光不做严格的区别1.1.2 发光发光固体发光的两个基本特征固体发光的两个基本特征:（1） 任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分；吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分；（2） 当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段时间，这是固体发光与其它光发射现象的根本区别。

时间，这是固体发光与其它光发射现象的根本区别发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关基态基态：能量最低的平衡状态：能量最低的平衡状态激发态：原子或分子吸收一激发态：原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到定的能量后，电子被激发到较高较高能级能级但尚未电离的状态但尚未电离的状态 卤粉卤粉Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+（1） 自然界中的发光材料自然界中的发光材料（2 ） 17世纪开始，发光现象称为实验科学的研究对象世纪开始，发光现象称为实验科学的研究对象1 发光材料简介：发光材料简介：（3 ） 1852年，光致发光第一个规律年，光致发光第一个规律-Stocks定律提出定律提出（4） 1867年，红宝石的光谱特性年，红宝石的光谱特性（5） 1878年，阴极射线发光的研究年，阴极射线发光的研究（6） 19世纪末世纪末20世纪初，世纪初，X射线和核辐射的发现射线和核辐射的发现（7） 1905年，爱因斯坦用光子的概念揭示年，爱因斯坦用光子的概念揭示Stocks规律的意义规律的意义（8 ）1913年，波尔提出原子结构的量子理论年，波尔提出原子结构的量子理论-发光学的理论基础发光学的理论基础（9） X射线激发的射线激发的CaWO4医用照相，寻找钨矿，以及其它类医用照相，寻找钨矿，以及其它类发光材料在显示、照明等方面的广泛医用发光材料在显示、照明等方面的广泛医用1.1.3发光材料发光材料发光材料定义发光材料定义:发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料。

式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料 基质基质：发光材料中的主体物质：发光材料中的主体物质激活剂（发光中心）激活剂（发光中心）：掺入的：掺入的杂质，决定材料的发光性能杂质，决定材料的发光性能发光材料组成：发光材料组成：荧光粉：一定的激发条件下能发光的无机粉末材料，一般指的荧光粉：一定的激发条件下能发光的无机粉末材料，一般指的是粉末晶体，也称为磷光体（是粉末晶体，也称为磷光体（phosphors),含有稀土离子的则成含有稀土离子的则成为稀土荧光粉为稀土荧光粉.1. 基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构2. 阳离子和阴离子都必须是光学透明的；阳离子和阴离子都必须是光学透明的；3. 晶体应具有确定的某种缺陷晶体应具有确定的某种缺陷作为基质化合物至少应具备如下基本条件：作为基质化合物至少应具备如下基本条件：已用作基质的无机化合物主要有已用作基质的无机化合物主要有：1. 氧化物及复合氧化物，如氧化物及复合氧化物，如Y2O3，Gd2O3，Y3AI5O12(YAG)，SrTiO3等；等；2. 含氧酸盐，如硼酸盐，铝酸盐，镓酸盐，硅酸盐，磷酸盐，钒酸盐，钼酸盐和含氧酸盐，如硼酸盐，铝酸盐，镓酸盐，硅酸盐，磷酸盐，钒酸盐，钼酸盐和钨酸盐以及卤磷酸盐等。

钨酸盐以及卤磷酸盐等3.3.稀土卤氧化物（如稀土卤氧化物（如LaOCl，LaOBr），稀土硫氧化物（如），稀土硫氧化物（如Y2O2S，Gd2O2S）等）等激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子激活离子的电子跃迁是成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子激活离子的电子跃迁是产生发光的根本原因产生发光的根本原因激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则主激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则主要有：要有：拉鲍特定则（拉鲍特定则（LaPortes Rule，亦称宇称选择定则：，亦称宇称选择定则：在中心对称环境在中心对称环境中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的）和和自旋选择定则自旋选择定则（Spin selection Rule：跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间 ）激活离子的选择条件：激活离子的选择条件：具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近。

激活剂激活剂绿：激活元素绿：激活元素黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电）黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电）蓝紫：基质元素蓝紫：基质元素图图1-5“发光元素周期表发光元素周期表”按被激发的按被激发的方式可分为方式可分为1.1.4 发光材料分类：发光材料分类：光致发光光致发光(photoluminescence，通常为紫外线，通常为紫外线)电致发光（电致发光（elctroluminescence,电压电压 )阴极射线发光（阴极射线发光（cathodoluminescence，电子束），电子束）X射线及高能粒子发光（射线及高能粒子发光（x-ray luminescence)）机械发光（机械发光（triboluminescence，如球磨），如球磨）化学发光化学发光(chemiluminescence化学反应产生的能量）化学反应产生的能量）生物发光生物发光(bioluminescence )声发光声发光 (sonoluminescence )热释发光热释发光 (thermoluminescence )放射线发光放射线发光 (radioluminescence )(1) 定义：定义：用紫外线、可见光或红外线激发材料而产生的发光现象。

用紫外线、可见光或红外线激发材料而产生的发光现象2) 材料分类：材料分类：荧光灯用发光材料、荧光灯用发光材料、LED发光材料、发光材料、PDP(Plasma Display Panel)用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料3) 实用材料：实用材料：荧光灯用荧光灯用红粉红粉Y2O3:Eu3+ 、 绿粉绿粉CeMgAl11O19:Tb3+ 、蓝粉、蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+；LED用用(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+ ；PDP用用 ZnSiO4：Mn2+ 等1 光致发光光致发光定义：定义：电场直接作用在物质上所产生的发光现象，电能转电场直接作用在物质上所产生的发光现象，电能转化为光能，是一种主动发光性冷光源化为光能，是一种主动发光性冷光源分类：分类：注入式发光和本征型发光（高能电子碰撞激发发光中心）注入式发光和本征型发光（高能电子碰撞激发发光中心）图1-6 注入式电致发光模型注入式电致发光模型2 电致发光电致发光:晶体材料都呈现一定规律的周期排列，内部原子存在较晶体材料都呈现一定规律的周期排列，内部原子存在较强的相互作用，导致电子能级的变化，许多相近的能级强的相互作用，导致电子能级的变化，许多相近的能级构成构成能带能带。

许多重要的发光材料大部分都是选择在基质中掺入微量许多重要的发光材料大部分都是选择在基质中掺入微量杂质，使得基质晶格的规则排列被破坏，从而形成杂质，使得基质晶格的规则排列被破坏，从而形成缺陷缺陷能级能级，当外部光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，当外部光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，从而形成发光现象从而形成发光现象掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位置、掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位置、激活剂周围的情况，是否有共激活剂等，决定发光中心激活剂周围的情况，是否有共激活剂等，决定发光中心的发光特性的发光特性1.2 发光材料的主要特性与规律发光材料的主要特性与规律当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分被当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分被透射，剩余的部分被材料吸收透射，剩余的部分被材料吸收,遵循遵循beer定律定律其中，其中，I0() 为波长为为波长为的光照射到物质的强度；的光照射到物质的强度；I ()为光通过厚度为光通过厚度X的发光材料后的强度；的发光材料后的强度；X-厚度；厚度；k 是不依赖光强，随波长而变化的函数，称为吸收系数是不依赖光强，随波长而变化的函数，称为吸收系数;1.2 .1光谱与能级光谱与能级1 吸收光谱（吸收光谱（absorption spectrum)几个概念吸收光谱吸收光谱以被吸收的光子的以被吸收的光子的能量能量(波长、波数和能量波长、波数和能量eV)为横坐为横坐标，吸光度标，吸光度D或或 、log 为纵坐标，给出分子对具有不同能量为纵坐标，给出分子对具有不同能量光子的吸收特性。

光子的吸收特性吸光度被。